160亿年误差1秒：中国光晶格钟重新定义时间

【导语】在探索时间的无尽征途中，人类再次迈出了历史性的一步。2025年，中国科学家成功研制出锶87光晶格原子钟，其精度惊人——160亿年仅误差1秒！这一突破性成就不仅让中国成为全球第二个掌握如此高精度时钟技术的国家，更预示着“秒”的定义即将(jiāng)迎(yíng)来(lái)一(yī)场革命性变革。从日晷到原子钟，人类对时间的追求从未停歇，而今，光晶格钟的诞生正引领我们进入一个全新的时间纪元。本文将带您深入探索这一科技奇迹背后的故事，以及它将如何影响我们的生活和未来。

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作者：李瑞（半导体工程师）

审校：香港城市大学客座助理教授石巍

监制：中国科普博览

如果有一台钟，从宇宙大爆炸那一刻开始走时，一直走到今天，它的误差还不到1秒，你会不会感觉不可思议？

2025年7月，中国科学家把科幻小说中的情节变成了现实。中国科学院国家授时中心研制的锶87光晶格原子钟达到了惊人的精度：160亿年误差仅1秒！这不仅让中国成为全球第二个实现如此高时钟精度的国家，更重要的是，它可能改变我们定义“秒”的方式，影响从GPS导航到引力波探测的方方面面。

锶光钟物理装置

（图片来源：参考文献[2]）

从日晷到原子钟：人类追求精确时间的千年征程

人类对时间的追求，从太阳的影子开始。古人通过日晷观察太阳位置来判断时间，误差以小时计。机械钟的发明让精度提升到分钟级别，而石英钟更是把误差缩小到了秒。但真正的革命发(fā)生(shēng)在(zài)1955年(nián)，英(yīng)国(guó)国(guó)家(jiā)物(wù)理(lǐ)实(shí)验(yàn)室(shì)制(zhì)造(zào)出(chū)了(le)第(dì)一(yī)台(tái)铯(sè)原(yuán)子(zi)钟(zhōng)，人(rén)类(lèi)第(dì)一(yī)次(cì)利(lì)用(yòng)原(yuán)子(zi)的(de)量(liàng)子(zi)特(tè)性(xìng)来(lái)计(jì)时(shí)。

为(wèi)什(shén)么(me)原(yuán)子(zi)能(néng)成(chéng)为(wèi)最(zuì)精(jīng)确(què)的(de)“时(shí)钟(zhōng)”？这(zhè)要(yào)从(cóng)原(yuán)子(zi)的(de)内(nèi)部(bù)结(jié)构说起。每个原子都像一个微型太阳系，电子围绕原子核运动。当电子在不同能级之间跃迁时，会吸收或释放特定频率的电磁波。这个频率极其稳定，就像每个原子都有(yǒu)自(zì)己(jǐ)独(dú)特(tè)的(de)“心(xīn)跳(tiào)”。铯(sè)133原(yuán)子(zi)的(de)心(xīn)跳(tiào)频(pín)率(lǜ)是(shì)9,192,631,770赫(hè)兹(zī)，也(yě)就(jiù)是(shì)每(měi)秒(miǎo)振(zhèn)动(dòng)超(chāo)过(guò)90亿(yì)次(cì)。

1967年(nián)，国(guó)际(jì)计(jì)量(liàng)大(dà)会(huì)正(zhèng)式(shì)采用(yòng)铯(sè)原(yuán)子(zi)的(de)振(zhèn)动(dòng)频(pín)率(lǜ)来(lái)定(dìng)义(yì)“秒(miǎo)”：铯(sè)133原(yuán)子(zi)基(jī)态(tài)的(de)两个超精细能级之间跃迁辐射9,192,631,770个周期所持续的时间为1秒。这个定义一直沿用至今，支撑着全球的时间体系。目前最好的铯原子钟精度可以达到3.2亿年误差1秒，这已经是一个令人难以想象的高精度了。

然而，科学家们并不满足。随着科技的发展，许多领域对时间精度的要求越来越高。GPS卫星定位需要纳秒级的时间同步，相对论效应的验(yàn)证(zhèng)需(xū)要(yào)更(gèng)精确的时钟，深空探测更是对时间精度有着苛刻的要求。铯原子钟的精度已经接近物理极限，是时候寻找新的“计时员”了。

光晶格钟：把原子关进“光牢笼”的奇思妙想

如果说铯原子钟是利用微波频率的跃迁，那么光晶格钟则是利用光学频率的跃迁。光的频率比微波高10万倍，理论上可以提供更高的计时精度。但要实现这一点，需要解决一个根本性的难题：如何让原子保持绝对静止？

原子在常温下会不停地运动，速度可达每秒几百米。运动的原子会产生多普勒效应，就像救护车驶过时汽笛声会变化一样，原子发出的光频率也会发生偏移。即使把原子冷却到接近绝对零度，残余的运动仍会影响测量精度。

2001年，日本科学家香取秀俊提出了一个想法：用激光创造一个三维的“光晶格”，把原子困在其中。想象一下，用很多束激光相互交叉，形成一个类似鸡蛋托盘的三维网格结构。每个“格子”都是一个势阱，原子(zi)被(bèi)牢(láo)牢(láo)地(de)困(kùn)在(zài)里(lǐ)面(miàn)，就(jiù)像(xiàng)鸡(jī)蛋(dàn)放(fàng)在(zài)托(tuō)盘(pán)的(de)凹(āo)槽(cáo)中(zhōng)。

但(dàn)这(zhè)还(hái)不(bù)够(gòu)。激(jī)光(guāng)本(běn)身(shēn)会(huì)对(duì)原(yuán)子(zi)产(chǎn)生(shēng)干(gàn)扰(rǎo)，改(gǎi)变(biàn)原(yuán)子(zi)的(de)能(néng)级(jí)结构。香取秀俊的另一个创新是找到了“魔术波长”——在这个特定波长下，激光对原子上下两个能级的影响完全相同，相当于同时抬高或降低两个能级，它们之间的能量差保持不变。这就像用托盘托着鸡蛋，无论托盘升高还是降低，鸡蛋之间的相对位置不变。

锶87原子成为了光晶格钟的理想选择。它的钟跃迁频率在光学波段，约为429万亿赫兹，比铯原子钟高了近5万倍。更重要的是，锶原子的能级结构相对简单，容易找到合适的魔术波长。当锶原子被冷却到微开尔文量级（比绝对零度高百万分之一度）并困在光晶格中时，它们就变成了近乎完美的“时间原子”。

中国突破：光晶格钟的自主创新之路

中国科学院国家授时中心的这台锶87光晶格钟，不是简单的技术复制，而是融合了多项创新技术的结晶。要理解这些创新，我们需要了解影响原子钟精度的几个关键因素。

首先是黑体辐射。任何高于绝对零度的物体都会发出电磁辐射，室温下的墙壁、仪器甚至空气分子都在不断发出红外线。这些辐射会轻微改变原子的能级，造成频率偏移。传统方法是把整个装置冷却到极低温度，但这会带来巨大的技术复杂性和成本。

中国科学家采用了一个巧妙的方案：移动光晶格技术。他们让原子在两个区域之间移动——一个用于原子制备的常温区，一个用于精密测量的控温区。这就像在车间里组装钟表，然后送到恒温恒湿的检测室进行校准。通过精确控制温度，黑体辐射的影响被降到了最低。

第二个挑战是电场干扰。即使是极微弱的电场也会影响原子的(de)能(néng)级(jí)，这(zhè)种(zhǒng)现(xiàn)象(xiàng)叫(jiào)做(zuò)斯(sī)塔(tǎ)克(kè)效(xiào)应(yīng)。研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)在(zài)真(zhēn)空(kōng)腔(qiāng)的(de)窗(chuāng)口(kǒu)上(shàng)镀(dù)了(le)一(yī)层(céng)特(tè)殊(shū)的(de)透(tòu)明导电膜，形成了一个法拉第笼，把外界电场完全屏蔽在外。这层膜只有几百纳米厚，既能导电又不影响激光通过，堪称纳米技术的杰作。

第三个创新是浅光晶格技术。传统的光晶格为了牢牢困住原子，通常使用较强的激光功率。但强光本身会带来额外的频率偏移。中国科学家反其道而行之，使用较弱的激光创造“浅”的势阱。虽然原子更容易逃逸，需要更频繁地补充，但换来的是更小的系统误差。

最关键的突破在于整个系统的可旋转设计。原子在光晶格中并非完全静止，它们会通过量子隧穿效应在相邻格点间移动。这种(zhǒng)移(yí)动(dòng)在(zài)重(zhòng)力(lì)方(fāng)向(xiàng)上(shàng)更(gèng)明(míng)显(xiǎn)，会(huì)造(zào)成(chéng)额(é)外(wài)的(de)频(pín)率(lǜ)偏(piān)移(yí)。通(tōng)过(guò)旋(xuán)转(zhuǎn)整(zhěng)个(gè)装(zhuāng)置(zhì)，改(gǎi)变光晶格相对于重力的角度，科学家可以精确测量和补偿这种效应。这就像通过倾斜鸡蛋托盘来研究鸡蛋的滚动规律。

技术细节背后：如何测量10的负18次方

在(zài)这(zhè)些(xiē)创新技术的加持下，我国锶87光晶格钟在主要性能上达到世界领先水平，成为第二个实现光晶格钟频率不确定度和频率不稳定度均优于2×10^-18的国家。

锶(sī)光(guāng)钟(zhōng)频(pín)率(lǜ)不(bù)稳(wěn)定(dìng)度(dù)测(cè)量(liàng)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)[2]）

要(yào)理(lǐ)解(jiě)2×10^-18这(zhè)个(gè)精(jīng)度(dù)意(yì)味(wèi)着(zhe)什(shén)么(me)，我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)做(zuò)个(gè)类(lèi)比(bǐ)。如(rú)果(guǒ)把地球到太阳的距离（1.5亿公里）测量到这个精度，误差将只有0.3毫米——比一根头发丝还细。在时间测量上，这相当于宇宙年龄（138亿年）的误差不到1秒。

达到如此精度需要对每一个可能的(de)误(wù)差(chà)源(yuán)进(jìn)行(xíng)精(jīng)确(què)评(píng)估(gū)和(hé)控(kòng)制(zhì)。研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)花(huā)费(fèi)数(shù)年(nián)时(shí)间(jiān)，逐(zhú)一(yī)攻(gōng)克(kè)了(le)十(shí)多(duō)项(xiàng)系(xì)统(tǒng)误(wù)差(chà)：黑(hēi)体(tǐ)辐(fú)射(shè)频(pín)移控制到1.1×10^-19，晶格光AC斯塔克频移降到8.8×10^-20，原子间碰撞频移抑制到3×10^-19……每一项都代表着技术的极限挑战。

更令人印象深刻的是频率稳定度的测量。研究团队采用了分时自比对技术——让同一个原子钟在不同时间与自己比较。这需要极其稳定的钟激光系统，其线宽只有1赫兹，相当于激光频率的稳定度达到10^-15量级。配合国产光纤激光器提供的大功率、低噪(zào)声(shēng)光(guāng)源(yuán)，整(zhěng)个系统可以连续运行数天而不失锁。

最终的测量结果显示，这台光晶格钟的频率不确定度达到1.96×10^-18，频率不稳定度在平均时间超过10000秒时达到1.2×10^-18。这两个指标都优于国际计量委员会对未来“秒”定义的要求，使中国成为继美国之后第二个达到这一标准的国家。

改变世界的精度：从导航到暗物质探测

如此高的时间精度究竟有什么用？答案可能超出你的想象。

在卫星导航领域，时间误差直接转化为定位误差。光速约为每秒30万公里，1纳秒的时间误差就意味着30厘米的定位偏差。目前的GPS系统使用的是精度较低的原子钟，定位精度在米级。如果换成光晶格钟，理论上可以把定位精度提升到毫米级。这意味着自动驾驶汽车可以精确地行驶在车道中央，无人机可以在复杂环境中精确避障。

在基础物理研究中，超高精度的时钟是探测引力波的利器。根据爱因斯坦的广义相对论，引力波经过时会造成时空的微小扭曲，这种扭曲会影响时钟的走时。如果在地球不同位置放置多台光晶格钟，通过比较它们的时间差异，就可以探测到来自宇宙深处的引力波信号。

更令人兴奋的是，光晶格钟可能帮助我们探测暗物质。一些理论预测，暗物质会造成基本物理常数的微小变化。通过长期监测光晶格钟的频率，科学家可以寻找这种变化的蛛丝马迹。如果发现了，将是物理学的重大突破。

在地球科学中，光晶格钟可以用来精确测量地球重力场。根据广义相对论，时钟在不同高度上的走时速率不同——海拔每升高1米，时钟每年会快约100飞秒。利用光晶格钟的超高精度，科学家可以绘制出精确到厘米级的地球重力场图，监测地下水位变化、预测火山爆发、探测地下矿藏。

伽利略定位系统卫星使用的太空无源氢钟，是其机载计时系统的主时钟

（图片来源：维基百科 SkywalkerPL）

未来已来：重新定义“秒”的全球竞赛

2022年，第27届国际计量大会通过决议，计划在2030年用光学原子钟重新定义“秒”。这不是简单的技术升级，而是人类计时体系的根本性变革。新的定义将不再依赖于单一的铯原子，而是基于多种光学跃迁的综合。

要实现这个目标，需要全球至少三个不同实验室的光钟达到2×10^-18的精度水平。目前，美国JILA实验室的锶光晶格钟和NIST的镱光晶格钟已经达标，中国的加入让这个目标更加接近现实。

但竞争远未结束。欧洲、日本(běn)、俄(é)罗(luō)斯(sī)等(děng)国(guó)都(dōu)在(zài)加(jiā)紧(jǐn)研(yán)发(fā)自(zì)己(jǐ)的(de)高(gāo)精(jīng)度(dù)光(guāng)钟(zhōng)。德(dé)国(guó)PTB实(shí)验(yàn)室(shì)的(de)锶(sī)光(guāng)钟(zhōng)正(zhèng)在(zài)冲(chōng)击(jī)10^-19的(de)精(jīng)度(dù)极(jí)限(xiàn)，法(fǎ)国(guó)SYRTE实(shí)验(yàn)室(shì)则(zé)在(zài)探(tàn)索(suǒ)汞(gǒng)离(lí)子(zi)钟(zhōng)的(de)可(kě)能性。这场全球竞赛不仅关乎科学荣誉，更关系到未来时间标准的话语权。

中国在这场竞赛中的优势不仅在于技术突破，还在于完整的产业链支撑。从国产光纤激光器到精密光学元件，从超高真空技术到量子操控系统，中国已经形成了完整的光钟技术体系。这为未来的应用推广奠定了坚实基础。